操作系统原理总结

操作系统是管理计算机硬件与软件资源的计算机程序，为用户提供接口，帮助用户使用计算机资源，常见的操作系统有Windows、Linux、Mac、Unix等。

操作系统和普通程序的区别在于，操作系统具有进程管理和内存管理。此外，操作系统常常还具有设备管理、文件管理、网络管理、分布式管理等功能。操作系统原理的课程也按此进行编排。

操作系统的发展经历了手工操作，单道批处理，多道批处理和分时系统，其硬件基础经历了电子管，晶体管，集成电路和大规模集成电路的革新。在发展过程中，操作系统的速度、容量、稳定性和可靠性等得到逐步提升。

现代操作系统多为分时系统，其本质是主机以一个很短的“时间片”为单位把CPU轮流分配给每个终端使用。由于时间片很短，看起来就像每个终端都实时的运行一般。

部分程序的运行可以不需要操作系统，如开机时可通过BIOS引导程序对CMOS参数进行设置。

操作系统的逻辑结构是指操作系统的设计和实现思路，包括整体式结构、层次式结构和微内核结构。

CPU的工作状态包括用户态、核态和管态，其资源和指令使用权限的不同。用户程序运行在用户态，操作系统运行在核态。正是因为权限不同，用户程序必须借助操作系统提供的API 函数完成内核相关操作。

硬件按“态”来区分CPU的状态，操作系统按“进程”来区分CPU的状态。Intel CPU有4态，包括Ring 0~Ring 3，其中Ring 0最核心。

操作系统的存储器包括寄存器、高速缓存（CACHE）、主存（内存）、辅存（硬盘），其速度逐渐下降，容量逐渐提升，价格也越发便宜。当需要访问某个数据或代码段时，CPU按顺序分布访问缓存，内存和辅存。

不同于循环扫描，CPU可以通过中断机制处理突发的事件。当中断发生时候，CPU停止当前工作，转去处理该外部事件，处理完毕回到原来的工作中断处（断点）继续原来的工作。为了能够顺利返回原来的工作，操作系统需要记录当前程序指针位置，并将工作变量和寄存器等信息压入栈中，当中断处理完毕后，将这些信息从栈中读取处理，继续执行。

刚开机时，CPU运行在实地址模式下，程序按照20位物理地址的寻址方式访问0h-FFFFFh的1M内存。在实模式存取的1M空间的尾部64K空间内存放系统BIOS文件，用于系统的启动配置。此模式下，CPU只能单任务运行。

在操作系统接管计算机时，系统可进入保护模式，此时程序以32位虚拟地址寻址方式访问4GB虚拟内存空间，应用程序和操作系统的运行环境被保护起来。同时，CPU支持多任务工作。

从按下电源键开始，电脑进行加电自检，BIOS中的启动程序加载MBR中的引导程序，装入内存特定位置，引导程序启动DOS7.0，调入操作系统核心，windows开始接管系统。电脑继续寻找显卡等相关设备BIOS，显示启动画面、BIOS、芯片组型号和主板等信息，并从硬盘/软盘/光盘/U盘读入操作系统。操作系统启动后，由操作系统接管计算机。

操作系统提供的用户接口包括操作界面和系统调用，包括GUI和键盘命令。而键盘命令又包括DOS，批处理，Shell等。系统调用是操作系统内核为应用程序提供的服务和函数。程序调用系统内核命令会产生相应中断，系统进行现场保护，查找相关命令入口地址，由用户态陷入内核态执行相应的系统调用。在执行结束后，恢复现场，回到用户态，继续运行程序。

进程是程序在某个数据集合上的一次运行活动，其数据集合指软/硬件环境。进程与程序的区别是不同的。进程是动态的，是程序一次执行过程，在内存中暂存，而程序是静态的，是一组指令的有序集合，在介质中长存。此外，一个程序可以拥有多个进程。

操作系统允许多个进程共存，每个进程按各自速度向前推进。为了让进程有序的运行避免阻塞和相关干扰，需要对进行进程管理。进程的状态包括，运行态，就绪态和阻塞态等，其状态可根据一定条件进行相互转化。

子进程是父进程的复制，具有相同的代码，相同的数据，相同的堆栈，子进程与父进程具有相同行为，差别在于进程标识不同，与时间相关的信息不同。父子进程可以并发运行，并发运行从创建进程后的位置开始执行，避免重复创建新进程。

当操作系统支持线程时，线程代替进程成为CPU的调度单位。线程是可由CPU直接运行的实体，一个进程可以创建多个线程，多个线程共享CPU可以实现并发运行，具有比进程更高的并发力度。

线程技术解决程序多个功能需要并发运行的问题，如一手画圆一手画方，看视频可以听到声音同时看到字幕。线程技术可以提高窗口程序的交互性，一般将前台交互作为主线程，而后台计算作为子线程。

进程的关系包括同步，互斥，常见的进程管理机制包括锁机制，信号灯机制和PV操作。

临界资源是指一次只允许一个进程独占访问（使用）的资源，临界区则是进程中访问临界资源的程序段。因此访问临界资源应该遵循，忙则等待，空闲让进，有限等待和让权等待等原则。

在两个或多个进程中，每个进程都持有某种资源，但又仅需申请其他进程已持有的某种资源。此时每个进程都拥有其运行时所需的一部分资源，但又都不够，从而每个进程都不能向前推进陷于阻塞状态，称为死锁。穿匡威才能买匡威，在先前没有匡威的人和匡威售卖店间的买卖形成死锁。

由于死锁解决算法复杂，取得的效益差，现有的操作系统不采取任何死锁处理方案，而将难题移交给用户。

进程调度指在合适的时候以一定策略选择一个就绪进程的运行，其目的是让每个进程都能快速响应，尽可能避免饥饿和死锁。常见的调度算法如，先来先服务调度，短作业优先调度，响应比高者优先调度，优先数调度，循环轮转调度等。进程调度需要进行现场保护，其过程类似中断处理。

除CPU和内存外的设备都可以称为外设，操作系统一般以文件的形式管理设备，包括设备的打开，读写，控制和关闭。所谓设备驱动，可认为是实际物理设备封装成系统可调用的API函数，操作系统通过这些函数可简单的操控实际物理设备。